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導熱系數的前世今生

文章出處: 人氣: 發表時間:07-13

來源:保溫材料與節能技術          生活中我們是否經常會有這樣的疑問,例如,冬天的棉被經過拍打之后為什么感覺特別暖和?為什么要及時清除冰箱內的結霜,否則耗電量會增加?住新房為什么感覺比住舊房更冷?

其實這些現象都離不開一個重要的物理量——導熱系數。那么什么是導熱系數呢?它的研究經歷了哪些階段?上面提到的現象到底該如何解釋?不要急,我們先從導熱系數的研究史說起——導熱系數的研究歷史。

說起對導熱系數的研究,那要追溯到18世紀30年代。英國工業革命催生了“傳熱學”的興起。

我們都知道,熱量傳遞有三種方式——傳導、對流、熱輻射。這三種傳熱方式的基本理論的確立,都經歷了一個特別的過程。為了方便大家理解,就來扒一扒它們的研究史吧!

一、導熱研究

      18世紀至19世紀初,英國化學家布萊克提出“熱素說”,認為熱是一種沒有質量,沒有體積的流體物質,熱素可以進入一切物體內部,物體含有熱素越多,溫度就越高,反之則越低。這顯然是一種錯誤的解釋,因為它不能解釋摩擦生熱的現象。
      1798年,倫福特鉆炮筒大量發熱試驗和1799年的戴維用兩塊冰摩擦生熱轉化為水的實驗,推翻了這一假說,確立了熱源來源于物體本身內部的運動。
      1804年,畢渥根據實驗提出了每單位時間通過每單位面積的導熱熱量正比于兩側表面溫差,反比于壁厚,比例系數是材料的物理性質。
      1822年,傅里葉發表《熱的解析理論》,正確概括了導熱的實驗結果,被稱為“傅里葉定律”,公式如下:
      其中為單位時間內傳導的熱量,為材料的導熱系數,A為熱量通過的截面積,為垂直于截面上的溫度變化率。
      他推導的導熱微分方程是導熱問題正確的數學描寫,成為求解大多數工程導熱問題的出發點。因此,傅里葉被公認為導熱理論的奠基人。
      傳導過程的特點是物體各部分之間不發生相對位移,依靠分子,原子及自由電子的熱運動傳遞能量。固體,液體,氣體都會發生熱傳導。
      舉個簡單的例子,對于導電的固體(如金屬)來說,自由電子的運動在導熱過程中起著主要的作用。

二、對流傳熱

      1823年,維納提出流動方程可以適用于不可壓縮的流體,該方程1845年經斯托克斯完善,建立了流體流動的基本方程。
      1880年,雷諾提出一個無量綱的物理群(雷諾數)概念,1880-1883年間,雷諾進行了大量實驗,發現管內流動層流向湍流的轉變發生在雷諾數1800~2000之間,該發現對指導實驗研究具有重要意義。
      1904年,普朗特提出邊界層的概念。
      1909年和1915年,努賽爾發表兩篇論文對強制對流和自然對流的基本微分方程及邊界條件進行量綱分析,獲得了有關無量綱數之間的原則關系。
      1921年,波爾豪森在流動邊界層概念的啟發下又進行了熱邊界層的研究。1930年,他與施密特與貝克曼合作,成功求解了豎壁附近空氣的自然對流傳熱。
      單純的流體的對流傳熱過程與傳導過程不同,它是物體各部分之間發生了相對位移,如熱對流,熱的氣體向上擴散,冷的氣體向下沉積,達到傳熱的效果。

三、輻射傳熱

      1889年,盧默等人測得了黑體輻射光譜能量分布的實驗數據。
      19世紀末,斯特潘和玻爾茲曼建立了著名的斯特潘——玻爾茲曼定律,即黑體輻射力與絕對溫度的四次方成正比的規律。
      1900年,普朗克提出了“能量子”假說,即認為能量并不是連續的,而是一份一份的傳播。
      熱輻射過程的特點是,它是自然界各種物質通過電磁波的形式傳遞熱量的一種方式,這種方式與傳導和對流不同的特點是不需要介質,真空條件也可以進行熱輻射,其熱輻射的能力取決于物體的溫度。

導熱系數與我們生活的密切聯系

      嘮完了導熱系數的研究歷史,相信大家對它有了一個初步的了解,接下來我們就要進入今天的重頭戲了——開篇提到的幾個生活現象,到底跟導熱系數有著怎樣的關系呢?想知道的小伙伴們,跟著一起往下看吧!

問題1:冬天,棉被經過曬后拍打,為什么覺得特別暖和?

      對這個問題的解釋,首先很自然的想到太陽曬過后,棉被變暖和,是因為太陽光(電磁波)的輻射傳熱??墒?,如果是在冬天的早上,沒有陽光或者陽光不強的時候,為什么通過拍打棉被也可以使得棉被變暖和呢?

      原來,經過拍打之后的棉被,大量的空氣進入棉絮空間,使得棉被變的蓬松,而空氣的導熱系數要遠遠低于棉絮的導熱系數,這樣使得棉被整體的導熱系數比拍打前降低很多。導熱系數越低,保溫效果就越好,因此,拍打棉被可以提高棉被的保溫效果,所以即使在陽光不充足的情況下,棉被也會變得更加保暖。

問題2:為什么要及時清除冰箱里的結霜,否則耗電量會增加?

      對這個問題的解釋,主要應考慮“結霜前”與“結霜后”冰箱發生的變化。冰箱的制冷主要是通過液態的制冷劑流減壓后汽化吸熱,在蒸發器中通過蒸發器的管壁傳遞熱量至熱的空氣,使得冷藏室或冷凍室的熱空氣溫度降低,這里面存在蒸發器的管壁和熱空氣的換熱過程。如果冰箱冷藏室或冷凍室的壁面溫度很低時,熱空氣會遇冷凝華,直接從氣態變成固態,即“結霜”,所產生的“霜”在蒸發器和熱空氣之間形成了一個熱阻,因此,要使得冷藏室或冷凍室達到相同的溫度,必須使得空氣壓縮機的功率提高,這樣才能獲得溫度更低的制冷液,以及制冷液的汽化吸熱量。因此,當冰箱結霜時,如不及時清除結霜,耗電量會增加。

問題3:住新房和住舊房的感覺是否一樣?

      我們是否會有這樣的感受,剛剛蓋好的新房,裝修入住時會感覺很冷,而住老房子反而會感覺暖和點?其實,這里也蘊含著導熱的知識。新房和舊房的差別主要體現在建筑材料的含水上。新房由于剛剛建好,其混凝土,還有各種涂料都含有較多的水分,這些水分填充在磚瓦的孔隙中,使得墻壁整體的含水量較高。而住的老舊的房子,這些水分都得到充分的揮發。由于水的導熱系數(0.6W/(m•K))遠大于空氣(0.026W/(m•K)),所以使得含水墻壁的導熱系數(1.0W/(m•K))大于干燥墻壁的導熱系數(0.35W/(m•K))。

問題4:在寒冷的北方地區,建房磚采用實心磚還是空心磚好?

      這個問題的解釋與問題1類似,主要問題在于空心磚中含有大量的空氣,而空氣的導熱系數遠小于磚本身的導熱系數,而導熱系數越小,墻體的保溫效果就越好。因此,采用空心磚更能起到保溫的作用。其實,在建筑設計方面,建筑保溫是一項重要的考慮因素。除了磚以外,其它的例如地面保溫、室內墻體保溫、屋頂、外墻保溫,應用非常廣泛。地板下鋪的擠塑板,外墻中的巖棉,這些都是重要的建筑保溫材料,這些材料往往具有多孔結構,有些材料的孔隙率甚至超過99%,其目的也是利用空氣的導熱系數遠低于固體,達到保溫隔熱的效果。

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